(57)【要約】  フィルタ用コンデンサへの突入電流により発生する重畳電圧を抑制したＰＦＣコンバータを構成する。  ＰＦＣコンバータ（１０１）の入力端子（Ｐｉ，Ｐｉ）に商用交流電源が投入されると、ダイオードブリッジ（ＤＢ）を介してフィルタ用コンデンサ（Ｃ１）に整流電圧が印加され、フィルタ用コンデンサ（Ｃ１）に充電電流が流れるが、同時に、ダイオード（Ｄ３）及びコンデンサ（Ｃ３）の直列回路にも整流電圧が印加され、コンデンサ（Ｃ３）に対する充電電流も流れる。そのため、充電時定数が大きくなって、ライン及びラインに接続されているラインフィルタ等のインダクタンス成分と充電電流とによって発生する重畳電圧（Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）は小さくなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源から入力される交流電圧を整流する整流回路と、
トランスの１次巻線とスイッチング素子とを含む第１の直列回路が前記整流回路の出力部に接続され、
前記整流回路の出力部に接続されたフィルタ用コンデンサと、
前記トランスの２次巻線に接続された、整流用ダイオードと平滑用コンデンサからなる整流平滑回路と、を備え、
前記フィルタ用コンデンサの充電電圧印加時に順方向となるスイッチ素子と第２のコンデンサとが直列に接続された第２の直列回路が前記フィルタ用コンデンサに並列に接続された、ＰＦＣコンバータ。
【請求項２】
前記スイッチ素子は、前記フィルタ用コンデンサの充電電圧印加時に順方向となるダイオードである、請求項１に記載のＰＦＣコンバータ。
【請求項３】
前記スイッチ素子は、前記商用交流電源からの前記交流電圧の投入時にオンするトランジスタである、請求項１に記載のＰＦＣコンバータ。
【請求項４】
前記第２の直列回路は、前記第２のコンデンサ及び前記スイッチ素子に対して直列に接続された抵抗を含む、請求項１乃至３のうち何れかに記載のＰＦＣコンバータ。
【請求項５】
前記第２のコンデンサに並列接続され、前記第２のコンデンサの電荷を放電する放電用回路が設けられた、請求項１乃至４のうち何れかに記載のＰＦＣコンバータ。
【請求項６】
前記スイッチ素子又は、前記スイッチ素子と前記トランスの１次巻線とが直列に接続された第３の直列回路に並列接続され、前記第２のコンデンサの電荷を放電する放電用回路が設けられた、請求項１乃至４のうち何れかに記載のＰＦＣコンバータ。
【請求項７】
前記トランスは、前記１次巻線と前記２次巻線とが絶縁状態に設けられた、請求項１乃至６のうち何れかに記載のＰＦＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はＰＦＣコンバータに関し、特にトランスを備えたＰＦＣコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
商用交流電源を入力電源にして一定電圧又は一定電流を負荷へ供給するスイッチング電源装置において、力率を高く維持したまま電力変換を行うスイッチング電源装置には、入力段にＰＦＣコンバータが備えられている（例えば特許文献１参照）。【０００３】
図１は従来の一般的なＰＦＣコンバータの回路図である。このＰＦＣコンバータは、コンデンサＣ１、チョークコイルＬ１，スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２からなる昇圧チョッパー回路と、商用交流電源ＡＣの電圧を整流するダイオードブリッジとを備えている。スイッチング素子Ｑ１には、ダイオードブリッジＤＢへの入力電流が入力電圧と同位相の正弦波電流となるようにスイッチング制御回路が接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５３７４５９号公報
【特許文献２】特開２００８−１６１０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の一般的なＰＦＣコンバータは、図１に示されるような昇圧チョッパー回路であり、このＰＦＣコンバータの出力側にＤＣ−ＤＣコンバータが接続されて、所定直流電圧を負荷へ出力するように構成されている。すなわち、ＰＦＣコンバータとＤＣ−ＤＣコンバータとで一つの電源回路が構成されていた。【０００６】
ところが、部品点数を削減し小型化・低コスト化を図るために、ＤＣ−ＤＣコンバータがＰＦＣコンバータを兼ねる場合もある。この場合、コンバータの出力に接続される負荷を商用電源から絶縁するために、絶縁トランスが用いられる。また、出力電圧を降圧する目的でもトランスが用いられる。トランスを備えたＰＦＣコンバータは例えば特許文献２に開示されている。【０００７】
ところが、トランスを用いてＰＦＣコンバータを構成すると次のような問題が生じることが明らかになった。
トランスを有するＰＦＣコンバータは、図１に示したチョークコイルＬ１がトランスの１次巻線に置換され、図１に示した整流用ダイオードＤ１及び平滑用コンデンサＣ２はトランスの二次側に接続されることになる。【０００８】
このような回路に商用交流電源が投入されると、コンデンサＣ１への突入電流が瞬時ではあるものの非常に大きくなる。【０００９】
トランスの１次側には、電解コンデンサのような容量の大きな平滑用コンデンサがなく、容量の小さなフィルタ用コンデンサＣ１のみである。したがって、商用交流電源の投入時にフィルタ用コンデンサＣ１に突入電流が流れる。そのため、ライン及びラインに接続されているラインフィルタ（不図示）等のインダクタンス成分と上記突入電流とによって重畳電圧（Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）が発生する。【００１０】
コンデンサＣ１の容量は小さいので、上式のｄｔが非常に小さくなり、そのため、重畳電圧は非常に大きくなる。【００１１】
このため、トランスを備えたＰＦＣコンバータにおいては、フィルタ用コンデンサやスイッチング素子に高耐圧の部品が必要になり、重畳電圧対策用の回路を付加する必要もあり、低コスト化が図れない問題があった。【００１２】
この発明の目的は、前記突入電流により発生する重畳電圧を抑制して、上述の問題を解消したＰＦＣコンバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明のＰＦＣコンバータは、交流入力電源から入力される交流電圧を整流する整流回路と、トランスの１次巻線とスイッチング素子とを含む第１の直列回路が前記整流回路の出力部に接続され、前記整流回路の出力部に接続されたフィルタ用コンデンサと、前記トランスの２次巻線に接続された、整流用ダイオードと平滑用コンデンサからなる整流平滑回路と、を備え、
前記フィルタ用コンデンサの充電電圧印加時に順方向となるスイッチ素子と第２のコンデンサとが直列に接続された第２の直列回路が、前記フィルタ用コンデンサに並列に接続されている。【００１４】
例えば、前記スイッチ素子は、前記フィルタ用コンデンサの充電電圧印加時に順方向となるダイオードである。【００１５】
また例えば、前記スイッチ素子は、前記交流入力電源からの前記交流電圧の投入時にオンするトランジスタである。【００１６】
前記第２の直列回路は、前記第２のコンデンサ及び前記スイッチ素子に対して直列に抵抗が接続されていてもよい。【００１７】
前記第２のコンデンサに、その電荷を放電する放電用回路が並列接続されていてもよい。【００１８】
また前記スイッチ素子又は、前記スイッチ素子とトランスの１次巻線とが直列に接続された第３の直列回路に、前記第２のコンデンサの電荷を放電する放電用回路が並列接続されていてもよい。【００１９】
前記トランスは、例えば、前記１次巻線と前記２次巻線とが絶縁状態に設けられた絶縁トランスである。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、入力電源の投入時にラインに流れる突入電流により発生する重畳電圧が抑制される。そのため、コンデンサやスイッチング素子に定格電圧の大きな素子を用いる必要がなく、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の一般的なＰＦＣコンバータの回路図である。
【図２】第１の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０１の回路図である。
【図３】第２の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０２の回路図である。
【図４】第３の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０３の回路図である。
【図５】第４の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０４の回路図である。
【図６】第５の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０５の回路図である。
【図７】第６の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０６の回路図である。
【図８】第７の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０７の回路図である。
【図９】第８の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０８の回路図である。
【図１０】第９の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０９の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０１の回路図である。
ＰＦＣコンバータ１０１は、入力端子Ｐｉ，Ｐｉに商用交流電源が入力され、出力端子Ｐｏ，Ｐｏに負荷が接続される。この負荷は例えばＬＥＤ照明装置のＬＥＤである。
【００２３】
入力端子Ｐｉ，Ｐｉには、整流回路であるダイオードブリッジＤＢが接続されている。このダイオードブリッジＤＢの出力側には、トランスＴ１の１次巻線Ｎｐとスイッチング素子Ｑ１とを含む第１の直列回路が接続されている。ダイオードブリッジＤＢの出力部にはフィルタ用コンデンサＣ１が接続されている。トランスＴ１の２次巻線Ｎｓには整流用ダイオードＤ２と平滑用コンデンサＣ２からなる整流平滑回路が接続されている。
【００２４】
ダイオードＤ３と第２のコンデンサＣ３とが直列に接続された第２の直列回路が、前記フィルタ用コンデンサに並列接続されている。前記ダイオードＤ３は、フィルタ用コンデンサＣ１の充電電圧印加時に順方向となる向きに接続されている。
【００２５】
トランスＴ１の制御巻線ＮｂにはダイオードＤ４及びコンデンサＣ４による整流平滑回路が接続されている。この整流平滑回路の出力電圧はスイッチング制御回路１１に対して電源電圧として印加される。
【００２６】
スイッチング制御回路１１はスイッチング素子Ｑ１に対してオン／オフ制御信号を出力する。スイッチング制御回路１１は、入力電圧検出回路１２の出力電圧、電流検出抵抗Ｒ１の出力電圧、及び制御巻線Ｎｂの出力電圧（電力反転タイミング信号）を入力し、それらに基づいてスイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する。このことにより、ＰＦＣコンバータとして作用させる。これらの信号を基にしてＰＦＣコンバータとして作用させる方法自体は知られている。
【００２７】
図２に示したＰＦＣコンバータ１０１の入力端子Ｐｉ，Ｐｉに商用交流電源が投入されると、ダイオードブリッジＤＢを介してフィルタ用コンデンサＣ１に整流電圧が印加され、フィルタ用コンデンサＣ１に充電電流が流れるが、同時に、ダイオードＤ３及びコンデンサＣ３の直列回路にも整流電圧が印加され、コンデンサＣ３に対する充電電流が流れる。
【００２８】
そのため、コンデンサＣ３の容量が並列接続されることにより充電時定数が大きくなって、充電電流が流れる時間が長くなる。すなわち、ライン及びラインに接続されているラインフィルタ（不図示）等のインダクタンス成分と上記充電電流とによって発生する重畳電圧（Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）の“ｄｔ”は大きくなる。その結果、重畳電圧（Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）は小さくなる。
【００２９】
前記コンデンサＣ３の容量はフィルタ用コンデンサＣ１の容量の数倍以上に大きくすることが好ましい。コンデンサＣ３の容量を大きくするほど、前記充電時定数を大きくでき、その分、重畳電圧の抑制効果が向上する。
【００３０】
スイッチング素子Ｑ１のオン期間に、フィルタ用コンデンサＣ１→トランスＴ１の１次巻線Ｎｐ→スイッチング素子Ｑ１→抵抗Ｒ１→Ｃ１の経路で、フィルタ用コンデンサＣ１の電荷が放電される。一方、コンデンサＣ３にはダイオードＤ３が直列に接続されていて、放電電流はダイオードＤ３を介しては流れない。そのため、コンデンサＣ３の容量を大きくしても、ＰＦＣ回路動作に影響を与えることがない為、力率が低下することはない。
【００３１】
《第２の実施形態》
図３は第２の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０２の回路図である。
第１の実施形態で図２に示したＰＦＣコンバータ１０１と異なるのは、前記フィルタ用コンデンサＣ１に並列接続されている第２の直列回路が、ダイオードＤ３、第２のコンデンサＣ３、及び抵抗Ｒ２が直列接続された回路である点である。
【００３２】
このようにコンデンサＣ３への充電経路に抵抗Ｒ２を直列に接続することにより、コンデンサＣ３の容量を大きくしても、コンデンサＣ３への充電電流のピークを制限できる。そのため、ダイオードブリッジＤＢやダイオードＤ３等の充電電流経路の素子に、定格電流の大きな素子を用いる必要がなく、低コスト化が図れる。
【００３３】
《第３の実施形態》
図４は第３の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０３の回路図である。
第１の実施形態で図２に示したＰＦＣコンバータ１０１と異なるのは、コンデンサＣ３に抵抗Ｒ３が並列接続されている点である。
【００３４】
前記抵抗Ｒ３はコンデンサＣ３の充電電荷の放電用経路を積極的に構成する。そのため、商用交流電源ＡＣの投入時に一旦コンデンサＣ３に充電された電荷が、商用交流電源ＡＣの切断時に速やかに放電される。したがって、ＰＦＣコンバータ１０３の入力端子Ｐｉ，Ｐｉに対して商用交流電源ＡＣが短時間のうちに断続されても、コンデンサＣ３へ所定の充電電流が流れるので、重畳電流の抑制効果が維持できる。
【００３５】
《第４の実施形態》
図５は第４の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０４の回路図である。
第２の実施形態で図３に示したＰＦＣコンバータ１０２と異なるのは、前記フィルタ用コンデンサＣ１に並列接続されている第２の直列回路が、ダイオードＤ３、第２のコンデンサＣ３、及び負特性サーミスタＲｔが直列接続された回路である点である。また、コンデンサＣ３には抵抗Ｒ３が並列に接続されている。
【００３６】
このように、コンデンサＣ３に負特性サーミスタＲｔを直列接続することにより、電源投入時のような低温時に、コンデンサＣ３への充電電流の突入をより効果的に抑制できる。
【００３７】
《第５の実施形態》
図６は第５の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０５の回路図である。
第４の実施形態で図５に示したＰＦＣコンバータ１０４と異なるのは、コンデンサＣ３とサーミスタＲｔとの直列回路に対して抵抗Ｒ３を並列接続した点である。
【００３８】
この構成により、コンデンサＣ３の電荷の充電経路および放電経路にサーミスタＲｔが介在することになるため、充電電流および放電電流を効果的に抑制できる。
【００３９】
《第６の実施形態》
図７は第６の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０６の回路図である。
第１の実施形態で図２に示したＰＦＣコンバータ１０１と異なるのは、フィルタ用コンデンサＣ１に並列接続されている第２の直列回路が、第２のコンデンサＣ３及びスイッチ素子Ｑ２の直列回路である点である。スイッチ素子Ｑ２はＭＯＳ−ＦＥＴであり、そのドレイン・ソース間に寄生ダイオードＤ５を備えている。
【００４０】
スイッチ素子Ｑ２はスイッチ素子制御回路１３によってオン／オフ制御される。具体的には、商用交流電源ＡＣが投入されたことを検出したときスイッチ素子Ｑ２をオンし、スイッチング制御回路１１の動作前にＯＦＦする。すなわち、商用交流電源ＡＣが投入されたときだけ、フィルタ用コンデンサＣ１に第２のコンデンサＣ３を並列接続する。
【００４１】
なお、スイッチ素子制御回路１３には起動前から整流平滑回路の出力電圧以外の電源電圧が供給されている。そのためスイッチング素子Ｑ１のスイッチングを開始する前から動作してスイッチ素子Ｑ２をオンできる。
【００４２】
前記スイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードＤ５は、コンデンサＣ３の電荷の放電用経路を構成するので、スイッチ素子Ｑ２がオフした後にコンデンサＣ３の電荷が放電される。そのため、商用交流電源ＡＣの次回の投入に備えることができる。
【００４３】
なお、上述の例ではＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチ素子を用いたが、バイポーラ型のトランジスタとダイオードを用いてもよい。
【００４４】
《第７の実施形態》
図８は第７の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０７の回路図である。
第６の実施形態で図７に示したＰＦＣコンバータ１０６と異なるのは、フィルタ用コンデンサＣ１に並列接続されている第２の直列回路が、第２のコンデンサＣ３及びスイッチ素子ＳＷ１の直列回路である点である。スイッチ素子ＳＷ１は例えばリレーのスイッチである。
このように半導体スイッチ以外のスイッチを用いることもできる。
【００４５】
《第８の実施形態》
図９は第８の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０８の回路図である。
第３の実施形態で図４に示したＰＦＣコンバータ１０３と異なるのは、ダイオードＤ３に抵抗Ｒ４が並列接続された回路である点である。
【００４６】
前記抵抗Ｒ４はコンデンサＣ３の充電電荷の放電経路を構成する。しかしこの放電は、ダイオードブリッジＤＢの出力である整流電圧のピーク付近では行われず、ピーク付近以外のときでのみ行われる。そのため、商用交流電源ＡＣの投入時に一旦コンデンサＣ３に充電された電荷の、放電による損失をより効果的に抑制できる。
【００４７】
《第９の実施形態》
図１０は第９の実施形態に係るＰＦＣコンバータ１０９の回路図である。
第３の実施形態で図４に示したＰＦＣコンバータ１０３と異なるのは、ダイオードＤ３とトランスＴ１の１次巻線Ｎｐとが直列に接続された第３の直列回路に、ダイオードＤ６とツェナーダイオードＺＤとが直列に接続された第４の直列回路が、並列に接続された回路である点である。
【００４８】
前記第４の直列回路はスイッチング素子Ｑ１がオンのときに、コンデンサＣ３の充電電荷の放電経路を構成する。しかしこの放電は、ツェナーダイオードＺＤのツェナー降伏電圧Ｖｚｄを、ダイオードブリッジＤＢの出力である整流電圧が超えたときにのみ行われる。そのため、商用交流電源ＡＣの投入時に一旦コンデンサＣ３に充電された電荷の、放電による損失をより効果的に抑制できる。
【００４９】
なお、以上に示した各実施形態では、絶縁トランスを用いたが、非絶縁型のトランスを用いたものにも同様に適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
ＡＣ…商用交流電源
Ｃ１…フィルタ用コンデンサ
Ｃ２…平滑用コンデンサ
Ｃ３…コンデンサ
Ｄ２…整流用ダイオード
Ｄ５…寄生ダイオード
ＤＢ…ダイオードブリッジ
Ｎｂ…制御巻線
Ｎｐ…１次巻線
Ｎｓ…２次巻線
Ｐｉ，Ｐｉ…入力端子
Ｐｏ，Ｐｏ…出力端子
Ｑ１…スイッチング素子
Ｑ２…スイッチ素子
Ｒ１…電流検出抵抗
Ｒｔ…負特性サーミスタ
ＳＷ１…スイッチ素子
Ｔ１…トランス
ＺＤ…ツェナーダイオード
１１…スイッチング制御回路
１２…入力電圧検出回路
１３…スイッチ素子制御回路
１０１〜１０９…ＰＦＣコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2011067974.tif 000013
2011067974.tif 000014
2011067974.tif 000015
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